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基于FEKO的微带天线阵单元互耦研究

2023/5/31    来源:Altair    作者:黄春华  杜英霞  唐亮  刘辉      
关键字:互耦  微带阵列  平面微带天线阵  
本文基于FEKO软件研究了常用的矩形贴片微带天线阵的单元互耦,分别分析了正方形布阵和正六边形布阵的单元互耦对阵列方向图、增益的影响,对平面微带天线阵的设计有一定的参考价值。
1.引言

       现代抗干扰技术中,在干扰方向产生零点是一种常用的方法,但是多数控制零点的方法都是在理想情况下进行的,没有考虑天线阵中单元互耦的影响,单元之间的互耦效应会显著改变了阵列的性能,当阵列天线单元距离足够远时互耦效应可以忽略,但实际工程应用中由于受尺寸的限制和避免栅瓣的出现等原因,天线在组阵时阵元间距一般又不能太大(小于一个波长),因此必须考虑互耦的影响。

       本文应用FEKO对两种不同形式布阵的矩形微带天线阵列进行了仿真分析,研究了互耦对天线单元方向图、增益的影响。

2.阵列天线互耦分析模型的建立

       大型的天线阵列有成百上千个天线单元组成,而实际上对于一个固定的天线单元来说,真正对其互耦影响比较大的,只是它周围的几个单元;距离较远的单元的影响几乎可以忽略不计。

       本文分别考察了正方形布阵和正六边形布阵时某个单元与和周围与之距离较近的天线单元的互耦影响。

正方形布阵模型图

图1 正方形布阵模型图

       图1为正方形布阵时考虑天线周围单元对天线互耦影响的模型,为了便于表述,将图中每个天线单元都编排了序号,序号为1的中心单元正是我们的研究对象,不考虑互耦的影响时,天线单元方向图即为单元在自由空间中的方向图。

正六边形布阵模型图

图2 正六边形布阵模型图

       图2为正六边形布阵时考虑天线周围单元对天线互耦影响的模型天线单元序号分别为1-6,我们需考虑2-6号单元对1号天线单元性能的影响。

       天线单元选用矩形微带天线,图3为天线单元的结构,天线采用同轴馈电,工作频率1.575GHz,天线单元放置在XOY平面上,两种布阵的单元间距都为其0.5 ,在FEKO软件中进行了仿真分析。

阵元结构图

图3 阵元结构图

3 阵列天线互耦仿真分析

       3.1 互耦对单元方向图的影响仿真分析

       为了分析互耦对单元方向图的影响,需要先仿真自由空间中孤立单元的方向图,然后与正方形布阵、正六边形布阵的阵列中心1号单元的方向图进行了对比分析,在正方形布阵的阵列和正六边形布阵的阵列中,周围单元会对要研究的1号单元的方向图产生影响。

正方形布阵的1单元方向图

图4 正方形布阵的1单元方向图
 

正六边形布阵的1单元方向图

图5 正六边形布阵的1单元方向图

       图4是正方形布阵时1号天线单元的两个主平面的辐射方向图与自由空间方向图对比图。图5是正六边形布阵时1号天线单元的两个主平面的辐射方向图与自由空间方向图。图中黑线表示不考虑互耦的单元方向图,红线表示考虑互耦的单元方向图。对图4图5进行分析可以得出以下结论:

       1.与自由空间的方向图相比,在正方形布阵中的天线单元最大增益几乎不变,但是背瓣电平较高。

       2.与自由空间的方向图相比,正六边形布阵中天线单元最大增益低2dB左右,背瓣低于正方形布阵。

       3.2 天线单元散射参数的仿真分析

       为了进一步分析互耦对阵列天线单元的影响,对图1模型的散射参数Sij进行了分析,可以分别得到正方形布阵和正六边形布阵时1号天线单元与周围天线单元的散射参数Sij,仿真结果如表格1所示。
表1 正方形布阵的S参数

正方形布阵的S参数


       由于互耦对天线的影响是互易的所以S1j=Sj1(j=2,3…9),表格中只给出了S1j(j=2,3…9)。模型中与1号单元相对位置对称的的单元S参数应该是相同的,从表格中可以看到S12与S16,S13与S17,S14与S18,S15与S19基本相同,由于所用的天线单元并不是完全中心对称的,所以有略微的误差。

       通过对表1的分析,可以得出:

       1.S12比S14低10dB左右,说明沿着E面即y轴分布的单元互耦比较大,沿着H面即x轴分布的单元互耦影响较小。

       2.S13S15S17S19相等且最小,说明沿与x轴正向呈45°方向分布的4个单元3、5、7、9与单元1互耦影响较小。
表2 正六边形布阵的S参数

正六边形布阵的S参数


       正六边形布阵的仿真结果如表格2所示,对比正方形布阵时的结果,正六边形布阵的周围单元与单元1之间的互耦较小。

       3.3 互耦对总体方向图影响的仿真分析

       当矩形平面阵是一个无限大的阵列时,阵列当中的每个单元可以看成是处在的互耦环境中,其中每个天线单元考虑互耦的阵中方向图就可以看成是一致无限大的阵列是一种理想情况,但在实际工程中,如果阵列的单元数足够多每个单元可近似看成处于相同的互耦环境中,在这种情况下,我们将考虑互耦的阵中方向图代入阵列方向图的计算当中去,可以得到考虑互耦影响下的总体方向图。

       使用方向图乘积原理,我们可以对上述仿真得到的阵中方向图进行阵列方向图计算,为了保证上述近似假设,这里选取64×64的正方形排布的阵列和正六边形排布的阵列,共有4096个天线阵列单元。

       仿真结果如图6图7所示,由于受互耦的影响副瓣电平有所升高,副瓣电平的升高主要体现在远区副瓣上,近区副瓣变化不太明显。

正方形布阵64*64的总方向图

图6 正方形布阵64*64的总方向图
 

正六边形布阵64*64的总方向图

图7 正六边形布阵64*64的总方向图

4 结论 

       本文应用FEKO软件对于微带阵列天线单元之间的互耦进行仿真分析,得到了天线单元间互耦对阵列单元方向图和阵列总方向图的影响关系,对两种不同形式布阵的矩形微带天线阵列进行了仿真分析,研究了互耦对天线单元方向图、增益的影响,对天线阵的设计有一定的指导价值。
责任编辑:程玥
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